CN205175549U - 一种用于振动监测的无线低频加速度传感器节点装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于振动监测的无线低频加速度传感器节点装置，包括供能模块以及分别连接供能模块的低频加速度传感器模块、中央处理器模块和无线收发模块，低频加速度传感器模块、中央处理器模块和无线收发模块依次连接，中央处理器模块包括信号接口以及分别连接供能模块的AD转换器、数据处理器、时间同步器和数据存储器，AD转换器通过信号接口连接低频加速度传感器模块，数据处理器分别连接AD转换器、时间同步器和数据存储器，无线收发模块通过信号接口连接数据处理器。与现有技术相比，本实用新型不仅能满足测量低频的大地脉动和土木结构环境振动需求，还具有扩展为无线自组织监测网络***的潜力。

Description

一种用于振动监测的无线低频加速度传感器节点装置

技术领域

本实用新型涉及信号传输及振动监测领域，尤其是涉及一种用于振动监测的无线低频加速度传感器节点装置。

背景技术

作为现代监测不良隐患的重要手段，传感器在振动监测***中扮演着重要角色。大型的土木工程结构和基础设施在其服役过程中,受到环境载荷作用、疲劳效应、腐蚀效应和材料老化等不利因素的影响,结构不可避免地产生损伤积累、抗力衰减、甚至导致突发事故。为使土木工程结构安全运行，应该对结构进行可靠性监测,以实现对结构安全性的评定。一般地说，土木工程中的振动主要指低频振动，其振动频率在5Hz以下。

地脉动是地面的一种比较稳定且非重复性的随机波动。它的频带很宽，覆盖的周期范围很大，分为短周期脉动和长周期脉动。短周期脉动由区域噪声引起，长周期脉动由自然因素引起。而我们监测的目标是长周期脉动，它与土木环境结构的频率范围有着很大的相似性。

市面上现有的相关产品并没有能同时很好满足这两者检测需求的高精度的传感器。传统的有线传感器，在使用的过程中有着体积较大，线缆较多，使用范围有限等诸多的弊端。与之相比，无线传感器克服了现场工作环境复杂对监测设备运行的影响，解决了体积过大和线缆缠绕的问题，还方便技术人员进行远程监测工作。

实用新型内容

本实用新型的目的就是为了解决上述传统有线加速度传感器的不便之处以及现有无线加速度计应用范围的有限性和精度问题，而提供一种用于振动监测的无线低频加速度传感器节点装置，该装置不仅能满足测量低频的大地脉动和土木结构环境振动需求，还具有扩展为无线自组织监测网络***的潜力。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种用于振动监测的无线低频加速度传感器节点装置，包括供能模块以及分别连接供能模块的低频加速度传感器模块、中央处理器模块和无线收发模块，所述低频加速度传感器模块、中央处理器模块和无线收发模块依次连接，所述中央处理器模块包括信号接口以及分别连接供能模块的AD转换器、数据处理器、时间同步器和数据存储器，所述AD转换器通过信号接口连接低频加速度传感器模块，所述数据处理器分别连接AD转换器、时间同步器和数据存储器，所述无线收发模块通过信号接口连接数据处理器。

所述低频加速度传感器模块包括相连接的低频加速度传感器和电荷放大器，所述低频加速度传感器和电荷放大器均连接供能模块，所述电荷放大器连接信号接口。

所述低频加速度传感器为在0.05Hz以上频段幅频特性曲线平坦的加速度传感器。

所述中央处理器模块还包括电源管理器，所述供能模块通过电源管理器分别连接AD转换器、数据处理器、时间同步器和数据存储器。

所述数据处理器为单片机。

所述供能模块为太阳能供能电池和/或蓄电池。

所述无线收发模块包括相连接的射频芯片和天线，所述射频芯片和天线均连接供能模块，所述射频芯片连接信号接口。

所述射频芯片为ZigBee射频芯片。

所述数据存储器为Flash存储器或SD存储卡。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

1)针对土木结构环境振动和大地脉动的监测，采用低频加速度传感器模块，加速度传感器在0.05Hz以上频段幅频特性曲线平坦，可同时监测大力脉动与土木结构的震动情况，保证了在大地脉动及土木结构环境振动监测中数据的精度要求，这些监测数据是基于地脉动与结构的振动之间的内在联系来测量得到的，可以用来了解建筑与其环境之间的适应性，突出地脉动和结构自身振动的关联性，且综合二者可以更为精确判定结构的振动情况，利用好地脉动能反映结构振动情况的特点。

2)设计了无线收发模块，采用无线通信方式，能满足远距离、多通道、长时间的同步测量数据传输的需求，解决了传统有线传感技术中布线复杂、使用不便的问题，可自组织扩展网络，节点之间的自组织扩展成为监测网络的能力有很大的提高，能满足大面积范围的多点测试，从而更加全面的反映监测对象的振动情况，且提高了数据传输的可靠性与准确性。

3)中央处理器模块中设计了时间同步器，时间同步器内置有GPS时钟，为各个传感器采集数据提供同步时钟，有利于数据可靠地低延迟地传输到接收端。

4)中央处理器模块中电源管理器用于协调节点的工作状态及能量供应，促进电源的合理分配，有利于整个节点装置长时间稳定工作。

5)中央处理器模块中存储模块为单片机内置的RAM或大容量的Flash存储芯片，并支持采用大容量的SD卡进行扩充，满足了振动数据大量存储的需求。

6)数据处理器为高性能低功耗的单片机，保证整个装置的性能的同时降低生产成本，有利于推广应用。

7)无线收发模块中采用支持ZigBee协议的射频芯片，ZigBee具有能耗低、低复杂度、高安全性等特点，满足长期工程监测的需求。

8)供能模块由太阳能供能电池及可充电式蓄电池构成，为各部分模块的正常工作提供能量，使得每个节点都能满足长期的工程监测的续航要求，同时节能环保，无需额外增设电源线路。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构框图。

图中：1、供能模块，2、低频加速度传感器模块，3、中央处理器模块，4、无线收发模块，21、低频加速度传感器，22、电荷放大器，31、信号接口，32、AD转换器，33、数据处理器，34、时间同步器，35、数据存储器，36、电源管理器，41、射频芯片，42、天线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。本实施例以本实用新型技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，一种用于振动监测的无线低频加速度传感器节点装置包括供能模块1以及分别连接供能模块1的低频加速度传感器模块2、中央处理器模块3和无线收发模块4，低频加速度传感器模块2、中央处理器模块3和无线收发模块4依次连接，用绝缘外壳将上述四个装置封装到一起，彼此之间用串口线连接，其中：

其中，中央处理器模块3包括信号接口31、AD转换器32、数据处理器33、时间同步器34、数据存储器35和电源管理器36，AD转换器32通过信号接口31连接低频加速度传感器模块2，数据处理器33分别连接AD转换器32、时间同步器34和数据存储器35，无线收发模块4通过信号接口31连接数据处理器33，供能模块1通过电源管理器36分别连接AD转换器32、数据处理器33、时间同步器34和数据存储器35。

数据处理器33由高性能低功耗的单片机及***电路构成，负责读取无线收发模块4接收的采集指令，控制低频加速度传感器模块2开始采集加速度数值，并将采集到的数据传输给无线收发模块4进行发送。

AD转换器32能将所测模拟信号转换为数字信号并将其传输到数据处理器33。

时间同步器34有内置的GPS时钟，主要功能是为各个传感器采集数据提供同步时钟，将数据可靠低延迟地传输到接收端。

电源管理器36负责对中央处理器模块3的用电进行统一规划管理，协调该节点的工作状态及能量供应，也可以连接在供能模块1与低频加速度传感器模块2、无线收发模块4之间。

数据存储器35为Flash存储器或支持扩展的大容量的SD存储卡，满足了振动数据大量存储的需求，同时单片机内置的RAM也可以存储数据。

低频加速度传感器模块2包括相连接的低频加速度传感器21和电荷放大器22，低频加速度传感器21和电荷放大器22均连接供能模块1，电荷放大器22连接信号接口31。低频加速度传感器21为在0.05Hz以上频段幅频特性曲线平坦的加速度传感器，例如：941B型超低频测振仪，也可以选用具有相同参数功能的其他具体实施例，如：LC01系列压电加速度传感器、低频单轴IEPE加速度传感器。电荷放大器22将收集到的信号进行放大。

无线收发模块4包括相连接的射频芯片41和天线42，射频芯片41和天线42均连接供能模块1，射频芯片41连接信号接口31。无线收发模块4能与需要匹配的节点进行无线通信，同时它将无线监测到的数据信息汇聚到中央基站的计算机控制中心。ZigBee具有能耗低、低复杂度、高安全性等特点，能远距离、多通道、长时间的同步测量数据传输，满足长期工程监测的需求。

射频芯片41为ZigBee射频芯片，支持ZigBee协议，工作在ZigBee的免费频段。

供能模块1为太阳能供能电池和/或蓄电池，也可以是其他新型能源电池，蓄电池可为锂电池，主要作用是为各部分模块的正常工作提供能量。

将该节点装置安装到需要测量的部位，当其接收到中央基站发来的工作指令后节点装置开始工作，先通过时间同步器34对各个节点装置进行时间同步。然后低频加速度传感器21将采集到的振动信息放大后，通过信号接口31传送到AD转换器32，经转换后，数据传输到数据处理器33。中央处理器模块3对其余各模块进行控制，将采集到的数据进行处理，缓存至数据存储器35，或直接将数据传输到无线收发模块4。无线发射模块负责对数据打包处理，利用相关路由协议将数据传输给范围内的中央基站。由此完成整个数据的采集，处理和传输任务。

当不在工作状态时，中央处理器模块3将通过电源管理器36对其他部件下达待机的指令，从而降低节点的功耗，直到再次接受到中央基站发来的指令。在工作状态时，整个节点主要由锂电池来供电，而太阳能电池负责将太阳能转换为电能。当锂电池电力不足时，整个节点切换至太阳能电池供电，并对中央基站发出锂电池电力不足的信号。在完成对锂电池的重新充电之前由太阳能电池供电。

该节点装置可以用于对大地脉动以及土木结构振动环境的监测和数据采集，比有线装置更为有效。

Claims (9)

1.一种用于振动监测的无线低频加速度传感器节点装置，包括供能模块(1)以及分别连接供能模块(1)的低频加速度传感器模块(2)、中央处理器模块(3)和无线收发模块(4)，所述低频加速度传感器模块(2)、中央处理器模块(3)和无线收发模块(4)依次连接，其特征在于，所述中央处理器模块(3)包括信号接口(31)以及分别连接供能模块(1)的AD转换器(32)、数据处理器(33)、时间同步器(34)和数据存储器(35)，所述AD转换器(32)通过信号接口(31)连接低频加速度传感器模块(2)，所述数据处理器(33)分别连接AD转换器(32)、时间同步器(34)和数据存储器(35)，所述无线收发模块(4)通过信号接口(31)连接数据处理器(33)。

2.根据权利要求1所述的一种用于振动监测的无线低频加速度传感器节点装置，其特征在于，所述低频加速度传感器模块(2)包括相连接的低频加速度传感器(21)和电荷放大器(22)，所述低频加速度传感器(21)和电荷放大器(22)均连接供能模块(1)，所述电荷放大器(22)连接信号接口(31)。

3.根据权利要求2所述的一种用于振动监测的无线低频加速度传感器节点装置，其特征在于，所述低频加速度传感器(21)为在0.05Hz以上频段幅频特性曲线平坦的加速度传感器。

4.根据权利要求1所述的一种用于振动监测的无线低频加速度传感器节点装置，其特征在于，所述中央处理器模块(3)还包括电源管理器(36)，所述供能模块(1)通过电源管理器(36)分别连接AD转换器(32)、数据处理器(33)、时间同步器(34)和数据存储器(35)。

5.根据权利要求4所述的一种用于振动监测的无线低频加速度传感器节点装置，其特征在于，所述数据处理器(33)为单片机。

6.根据权利要求1所述的一种用于振动监测的无线低频加速度传感器节点装置，其特征在于，所述供能模块(1)为太阳能供能电池和/或蓄电池。

7.根据权利要求1所述的一种用于振动监测的无线低频加速度传感器节点装置，其特征在于，所述无线收发模块(4)包括相连接的射频芯片(41)和天线(42)，所述射频芯片(41)和天线(42)均连接供能模块(1)，所述射频芯片(41)连接信号接口(31)。

8.根据权利要求7所述的一种用于振动监测的无线低频加速度传感器节点装置，其特征在于，所述射频芯片(41)为ZigBee射频芯片。

9.根据权利要求1所述的一种用于振动监测的无线低频加速度传感器节点装置，其特征在于，所述数据存储器(35)为Flash存储器或SD存储卡。